北冰洋发现“海底黑烟囱”与北极变暖

                                                      杨学祥，杨冬红

中国日报网环球在线消息：瑞士和挪威科学家2008年8月4日宣布，他们在北冰洋极北地区海域发现了被称为“海底黑烟囱”的热喷泉，它们不仅能喷“金”吐“银”、形成海底矿藏，而且很可能和生命起源有关。北冰洋海底发现的如同“黑烟囱”的热喷泉。据美国《生活科学》网站报道，科学家在格陵兰与挪威之间的中大西洋洋脊上发现了5处非常集中的“海底黑烟囱”，其位置位于北纬73度海域，比此前发现的任何一处深海热喷泉都更偏北。这也是“海底黑烟囱”自1977年在加拉帕戈斯群岛首次被发现以来，它所出现的最寒冷的水域。在今年6月的远征考察中，挪威卑尔根大学与位于洛桑的瑞士联邦技术学院的研究团队发现了这几个海底热喷泉裂口。根据探测设备的测量，它们位于2400米深的海底，完全照不到阳光，像煮沸的醋一样的400摄氏度的海水不断喷射而出。“海底黑烟囱”是20世纪海洋科学最重大发现之一。这些含有矿物质的地热流通常从因板块推挤而隆起的海底山脊上喷出。矿液刚喷出时为澄清溶液，与周围的冰冷海水混合后，很快产生沉淀，形成烟囱状水柱，因此得名。科学家发现，“黑烟囱”附近通常有大规模的沉淀物堆积丘体，其中包括铁、铜、锌、铅、汞、钡、锰、银等金属硫化物矿产，甚至还有原生的自然金颗粒和天然水银。这次在北冰洋底发现的“黑烟囱群”周围已经形成一个体积庞大的沉淀物丘体，其底部直径达252米，顶部的直径也有90多米。从硫化矿物堆的规模推测，这些热喷泉必定已存在数万年。科学家估计，这里可能将成为最大的海底沉淀矿物堆^[1]。

据新华社电 加拿大政府官员7月29日说，加拿大地处北极地区的埃尔斯米尔岛北岸沃德·亨特冰架发生断裂，形成两座总面积约为20平方公里的浮冰岛。这是近3年来最大规模的北极冰架断裂。法新社援引加拿大极冰署高级冰山预报员卢克·德雅尔丹的话说：“第一次断裂发生在本月22日前后，第二次断裂发生在23日夜间至24日凌晨。”断裂形成两座浮冰岛，面积分别为4至5平方公里和14平方公里。冰架指与陆地相连的巨大浮动冰层。埃尔斯米尔岛属于加拿大北极群岛，北部连接着5座大型冰架。其中，沃德·亨特冰架规模最大，面积约为443平方公里，厚度约为40米。研究人员认为这些冰架形成于4000多年前。与埃尔斯米尔岛相连的艾里斯冰架2005年8月发生断裂，形成一座面积66平方公里的浮冰岛，大小相当于美国纽约曼哈顿。那次断裂可谓惊天动地，连250公里之外的地震监测仪器都探到震动^[2]。

星岛网讯 阿拉斯加一个岛上的火山7月12日大爆发，把大烟烟雾和灰烬喷上约五万多尺的高空，遮蔽了半个天空，附近一个牧场区的居民被迫紧急疏散。由于事前没有太多征兆和警告讯号，气象人员都感到诧异。据星岛新闻集团消息，该座名叫奥克莫克·卡尔德拉（Okmok Caldera）的火山，座落在阿拉斯加安克雷奇市西南1385公里外的格伦堡岛（Fort Glenn），于周六中午左右突然爆发。阿拉斯加火山中心的地质专家事后才表示，较早时探测到该区有轻微震动，但没料火山口爆发来得这么快。地质物理学家麦克纳特说，爆发的威力非常猛烈，在该区上空形成一朵灰烬云，最少高达最少五万尺。为安全起见，当局下令取消多班飞近该区的内陆航班^[3]。

在今年6月的远征考察中，挪威卑尔根大学与位于洛桑的瑞士联邦技术学院的研究团队发现了这几个海底热喷泉裂口。阿拉斯加一个岛上的火山7月12日大爆发；7月22-24日加拿大地处北极地区的埃尔斯米尔岛北岸沃德·亨特冰架发生断裂。这一系列事件是否有本质的联系？

地磁强度变化与内核振动

地磁场是由绕核旋转的环形电流产生。太阳斥力（光压和太阳风）不仅压缩了地球空间磁场形成外磁尾，而且压缩了液核磁流体形成内磁尾和内核的向光偏移。随着太阳在南北回归线之间的相对摆动，内核也有一个一年周期的南北振动。因目前近日点在冬至，这种振动的总趋势是内核向南半球偏移，南半球是热半球，南半球海底扩张和热点岩浆噴发达到极大值。与此相反，一万年前近日点在夏至，内核向北半球偏移，北半球是热半球。这就是内核南北振动的地球轨道效应，它与米兰科维奇天文冰川周期一样，是地球气候变化的重要因素^[4-6]。

内核南北振动造成的气候变化历史是：1.65~1.10万年前近日点从春分到夏至，内核向北半球偏移并在1.10万年达到最大值，形成北半球内能释放高峰和北半球冰盖的最大融化期^[7,8]；在1.10~0.55万年前近日点由夏至到秋分，内核回归地心，内能释放在0.55万年达到最小值，北半球逐渐变冷，降水量也逐渐变少。这是0.55万年前毁灭性气候变化突袭撒哈拉大草原的原因^[9]；0.55万年前~公元1250年近日点从秋分到冬至，内核向南半球偏移并在1250年达到最大值，形成内能向南半球释放高峰。这正好对应中世纪暖期^[10]；1250~6750年近日点从冬至到春分，内核回归地心，内能释放逐渐减弱，16~17世纪小冰期气候表现出这一变化趋势。变冷高峰将出现在公元6750年。最大的地球轨道偏心率和最大的黄赤交角将强化这一效应，4万年后的偏心率最小值将导致冰期降临。在太阳活动增强时，增强的太阳风可以把磁层顶到地心的距离从8~11个地球半径压缩到5~7个地球半径，引起内核的大规模振动。它可以解释气候万年、千年、百年和十年尺度的变化^{[7，8，11~16]}。

许多人注意到冷气候与强地磁场的对应关系^[17]，已发现地磁场强度有明显的2、4、10万年调制周期^[18]。地磁层漏能效应、臭氧洞漏能效应和内核振动是气候变化的合理能量机制^{[8，11，16]}。地磁层使大部分太阳高能粒子沿磁层顶流失，阻挡太阳能量进入大气层^{[7，16，19]}。地磁偶极矩近百年来减少了5%，与气候变暖和臭氧减少相对应；而60年代地磁偶极矩波动变化，与气候变冷和臭氧增加相对应。增强的太阳风是破坏臭氧的原因之一，而臭氧在大气层的不均匀分布所造成的太阳能量不均匀分布，是气候异常变化的原因^[7,8,19,20]。关于内核振动的研究由来已久。早在1982年，张焕志根据卫星测量数据，计算出内核振动的振幅为790米，振动中心距地球质心3公里左右^[21]。任振球用内核振动解释地幔热流的上涌，并最早提出北半球变冷是撒哈拉沙漠化的原因^[22]。这些有启发性的工作值得进一步深入研究。

火山和热点活动

如文献[17]所述，现代火山活动有明显致冷的记录。短周期的对应关系是：小冰期对应强火山活动，小气候最适期对应弱火山活动。因为火山灰和二氧化硫等火山喷发物到达平流层后，较小的气溶胶可在数月内传播到全球，并可在平流层内持续漂浮1~3年，使太阳直接辐射减弱，造成大气降温^[22]。但是，长周期的对应关系却是：火山活动峰值与全球无冰期对应，而谷值与大冰期对应。根据物体加速吸能、减速放能的质量-速度-能量转换原理，引力场作功要消耗场空间的能量。太阳系轨道速度在远银心点达到最小，向空间释放最多的能量，形成一亿年前白垩纪的无冰温暖气候（仅地球本身因减速所释放的能量可使全球增温17度）；太阳系轨道速度在近银心点达到最大，从空间吸收最多能量，形成了第四纪的大冰期^[7,23,24]。长周期的火山强烈活动是地球内部积累了大量能量的结果^[25]。

据Gerlach的估算，全球陆相火山以宁静方式放出二氧化碳的速率为每年792 百万吨，而陆相火山喷发出的二氧化碳的速率仅为每年66 百万吨^[26]。前者是后者的12倍多。宁静方式火山放气没有明显的火山灰，其增温效果显著。热点放气也只有增温作用。据曾小苹、汤懋苍和郭维栋等人的研究，在地幔排硅作用中硅石和碱类作用生成水，热水汽通过构造带上升到云层，参与大气降水，甚至造成气象灾害^[27]。雅鲁藏布江“大峡弯”是地球强构造运动的热点，也是全球降水最多、热带森林纬度最高的气候变化启动区^[28]。藏东南的雅鲁藏布江大峡谷大地热通量可达每平方米25瓦，比平均大地热流值约大500倍，实测地下最大气体排放量为每年每平方公里216000吨^[29]。根据曾小苹的研究结果^[27]和太阳风强迫内核振动的推论，由太阳风产生的气象和地震灾害链的作用过程为：强太阳风冲击——大磁暴和地磁层被压缩——大气涡旋增强和内核异常振动——臭氧异常分布和地幔流体上涌——地下异常排气和气温海温异常分布——异常降水等气象灾害。太阳能量和地球内部能量相互配合作用，是产生地球气候异常变化的根本原因。

地、海、气相互作用

赤道热两极冷是太阳能量纬度不均匀分布造成的。由于大气热容量低，大气热对流不能改变这一基本规律。海水则不同，其热容量大，热对流的传热效果十分显著。计算表明，每立方米的水和空气温度降低一度所释放的能量分别为4180000焦尔和1290焦尔，前者是后者的3240倍^[15]。这个巨大差别可从海洋性气候和大陆性气候的比较中看到。瓦伦西亚岛和赤塔同在北纬52度附近，前者位于爱尔兰的大西洋岸，属于海洋性气候，后者位于亚洲大陆内部，属于大陆性气候。虽然纬度相近，但温差在一年内的分布相差悬殊。一年内最冷和最热月份温度的差值，在瓦伦西亚只有7.9度，在赤塔则为46.1度，大于前者5.5倍之多。前者年均温度为摄氏10.3度，后者为零下3度，差值为13.3度。这说明海洋的内能多于大陆，海洋是大气热量的重要供应者^[30]。

海水因为含有平均约3.5%的盐分，所以它的最大密度约出现在摄氏负2度左右，恰好与海水开始结冰的温度很接近^[30]。两极临近结冰的海水密度最大，源源不断地沉入两极海底，自转离心力使较重的海水向赤道海底运动，形成全球巨厚的海底冷水层。由于太阳辐射不能进入这个领域，“冷”被安全地封存在海底，冷水领域还不断扩大。赤道海水表层热水在上、冷水在下，垂直方向只有热传导、没有热对流。随着海洋冷水区的不断扩大和赤道海洋表层热水区的不断缩小，赤道和两极的温差也不断加大，形成中、高纬度地区的冰盖和冰川。我们称这个过程为海底藏冷效应。它是海气相互作用的典型范例，大气中的“冷能”由此而进入海洋^[7,15]。冰雪反射太阳辐射，随着冰雪面积的不断扩大，地表接受到的太阳能量越来越少，使大气和海洋越来越冷，冰期有一个长期的“冷积累”过程。

由于内核相对地壳地幔的差异旋转，太阳辐射达到最大值时使核幔角动量交换达到高峰，部分旋转动能转变为热能积累在核幔边界赤道区（此处核幔速度差最大，积累的热能最多）。超级热幔柱（羽）由核幔边界赤道热区升起，在海底赤道区喷发，加热了底层海水，并引发赤道和两极之间的海洋整体热循环，降低了赤道和两极大气的温差，使两极的海温和气温逐渐上升到冰点以上，消除了海洋藏冷效应的“冷源”，形成全球无冰温暖气候，产生晚白垩纪赤道海洋表层低温之谜（当时温度为摄氏21度，比现代低6.5度，见图1）。我们称这个过程为海洋锅炉效应^{[7,15,25,31,32]}。有证据表明，随着热幔柱喷发强度的减弱，近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15度，大气冷却了10~15度^[33,34]。这是典型的地、海、气相互作用。计算表明，一亿二千万年前形成翁通爪哇海台的海底热幔柱喷发，其释放的热量可使全球海水温度增高33度^[7,25,31,34]。有证据表明,在古新世末不到6000年的时间内大洋底层水增温4⁰C以上^[35]。海底火山活动引发的深海热对流在全球气候变化中的作用不容忽视。

近期发现海洋气体水合物蕴藏的碳为地球上所有已知天然气、原油和煤的碳量的二倍，从中逃逸出的气体形成的温室效应远大于人类活动^[36]。海洋锅炉效应是地下和海洋中温室气体进入大气的原因，核幔角动量交换和地球形变又是海洋锅炉效应的原因^[37]。

北极气候的迅速变暖和冰盖快速融化，可能与地下热能的排放有关^[38]。3月-9月是地球内核向北半球偏移的时期，与2008年5-7月北半球地震高潮相对应^[39，40]。

徐道一研究员指出，地震频度随着季节有规律地变化^[41]。1982年李明光把季节周期与地震分布的纬度结合起来考虑，则规律性更为明显：在空间上南北两个半球的相对应地区的地震高低潮互称反向呼应，如果把地震按小时进行统计，则南极地区和北极地区的地震亦成反向呼应。这些资料表明，全球性大地震在四个地区的事加上（按月、按小时）分布不是偶然的，与地球和太阳的相对位置有关，即地球的自转和公转^[42，43]。李明光对7级以上地震逐月频率统计资料显示，北极地区和北中纬度地区地震逐月频率高峰在3-7月，与太阳位置从赤道向北回归线移动相对应。南极地区和南中纬度地区地震逐月频率高峰8-1月^[42]。

伴随地球自转和公转，地球向阳面有日变化和年变化，因此，内核南北震荡也有日变化和年变化。2008年的大震活动基本上也符合这一变化规律。

参考文献

1．  康娟。北冰洋发现“海底黑烟囱” 400摄氏度热泉喷涌万年。2008年08月06日07:16  中国日报网站。http://news.sina.com.cn/w/2008-08-06/071614273855s.shtml

2．  北极冰架发生断裂为3年来最大规模。2008年08月01日04:03  大洋网-广州日报。http://news.sina.com.cn/o/2008-08-01/040314249408s.shtml

3．  阿拉斯加火山爆发 附近居民紧急疏散。来源： 星岛环球网 2008年7月13日。http://www.singtaonet.com/hot_news/gd_20080713/200807/t20080713_811915.html

4．  杨学祥，张中信，陈殿友，等。地核能量的积累与释放。地壳形变与地震。1996，16（4）：85~92

5．  杨学祥，王莉。地球质心偏移与各圈层形变。地壳形变与地震。1995，15（4）：23~30

6．  杨学祥，陈殿友，张中信，等。地球內核快速旋转与全球变化。同13，1997，（2）：53~55

7．  杨学祥，陈殿友。火山活动与天文周期。地质论评。1999，45（增刊）：33~42

8．  杨学祥，陈殿友，宋秀环。太阳风、地球磁层与臭氧层空洞。科学（Scientific American 中文版）。1999，（5）：58~59

9．  Sarah Simpson. 撒哈拉的沙漠化。科学（Scientific American 中文版）。2000，（1）：70

10．              Lamb H.H. .气候的变迁与展望。北京：气象出版社，1987。343

11．              洪业汤，姜洪波，洪冰，等。近六千年地表温度和太阳变化的高分辨率记录对比研究。中国学术期刊文摘（科技快报）。1999，5（12）：1521~1522

12．              杨学祥。厄尔尼诺——构造运动的周期证据。中国学术期刊文摘（科技快报）。2000，6（2）：201~203

13．              杨学祥。潮汐形变的计算与厄尔尼诺发生规律。中国学术期刊文摘（科技快报）。1999，5（11）：1448~1449

14．              杨学祥，牛树银，陈殿友。深部物质与深部过程。地学前缘。1998，5（3）：77~85

15．              杨学祥，陈殿友。地球差异旋转动力学。长春：吉林大学出版社，1998。155

16．              杨学祥。臭氧洞漏能效应及其形成原因。见：中国地球物理学会编，中国地球物理学会年刊。合肥：安徽科学技术出版社，1999。191

17．              张振克，王苏民，吴瑞金。小冰期气候变化的影响因素及其对未来气候的启示。自然杂志。2000，22（3）：173~176

18．              Channell J.E.T., Hodell D.A.,McManus J. And Lehman B.. Orbital modulation of the Earth’s magnetic field  intensity. Nature. 1998,394:464~468

19．              杨学祥。地磁层和大气层漏能效应。中国学术期刊文摘（科技快报）。1999，5（9）：1170~1171

20．              Crutzen P.J. et al. Solar proton events: stratospheric sources of nitric oxide. Science. 1975,189:53~56

21．              张焕志。地极和日长的29.8年波动与内核振动。中国科学。A缉。1982，（12）；1129~1139

22．              任振球。全球变化。北京：科学出版社。1990。99,209

23．              杨学祥。与地球膨胀有关的数值估计。地壳形变与地震。1999，19（4）：80~85

24．              杨学祥，陈殿友，宋秀环，等。太阳系行星公转速度变化与低温灾害。长春科技大学学报。1999，29（4）：344~348

25．              杨学祥，张中信，陈殿友，等。地核能量的积累与释放。地壳形变与地震。1996，16（4）：85~92

26．              Gerlach T.M. Present-day C O₂ emissions from volcanoes.  EOS, 1991, 72(23):249,254~255

27．              曾小苹，林云芳，续春荣。地磁前兆异常在气象和地震灾害链中的应用。同24。247

28．              汤懋苍，钟大赉，李文华，等。雅鲁藏布江“大峡湾”是地球热点的证据。中国科学。D缉。1998，28（5）：463~468

29．              郭维东，柳艳香，汤懋苍。 ’98中国大洪水的地下激发因素。见：中国地球物理学会编，中国地球物理学会年刊。合肥：安徽科学技术出版社，1999。249

30．              张家诚，等。气候变迁及其原因。北京：科学出版社，1976。172~174

31．              杨学祥，陈震，刘淑琴。地球内核快速旋转的发现与全球变化的轨道效应。地学前缘。1997，4（2）：187~193

32．              杨学祥。太阳活动驱动气候变化的证据。中国学术期刊文摘（科技快报）。2000，6（5）：615~617

33．              Claude J.Allegre, Stephen H.Schneider. The evolution of the Earth. Scientific American. 1994,271(4):44~51

34．              杨学祥。降水能源变化与未来地下水危机。科学。1999，51（1）：46~48

35．              汪品先，翦知湣。寻求高分辨率的古环境记录。第四纪研究。1999，（1）：1~17

36．              Erwin Suess, Gerhard Bohrmann, Jens Greinert, Erwin Lausch. 易燃之冰. 科学(Scientific American中文版). 2000,(2):7~12

37．              杨学祥,陈殿友. 构造形变、气象灾害与地球轨道的关系。地壳形变与地震。2000，20（3）：39~48

38．              杨学祥. 对冰期和小冰期气候变化因素的探讨. 自然杂志. 2000, 22（6）：358~362

39．              杨学祥.新一轮强震正在到来：5-6月达到高峰. 2008-2-22上海环境热线.绿色论坛。 http://www.envir.gov.cn/forum/2008/200812224.htm

40．              杨学祥. 四川汶川8级地震的成因和强震预警. 发表于2008-5-19 9:29:46. 科学网。 http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=25831

41．              徐道一，郑文振，等。天体运动与地震预报。地震出版社，1980。94。

42．              李明光。浅谈太阳与地震活动频次的周期性。地震科学研究。1982，（4）。

43．              徐道一，杨正宗，张勤文，等。天文地质学概论。地质出版社，1983。118-119。